铁/锰改性桃枝生物炭对土壤重金属钝化及生物有效性影响研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 何孟轲 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 专业学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 杨俊兴 ; 杜平 |
| 关键词 | 桃枝 生物炭 吸附 重金属 钝化 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 资源与环境 |
| 英文摘要 | 近年来，我国农林废弃物年产量高，废弃物种类繁多，资源化利用率低。北京市平谷区是中国乃至世界优质桃（Prunus persica L.）生产基地之一，桃树种植面积1.467 万hm2，每年产生的果树枝条等农林废弃物达31.37 万吨。现有桃枝废弃物处理处置方式主要有运出、填埋等，总体对桃枝废弃物的利用率和利用效果仍待提高。生物炭比表面积大、表面含有羟基、羧基、羰基等丰富的官能团，对多种重金属离子可通过静电作用、离子交换、表面络合、沉淀反应及氧化还原反应等吸附固定。此外，木质生物质材料制备生物炭具有更大的比表面积，木质素含量高，原料的结构往往更加紧密，抗降解能力也相应增强。对于平谷区桃枝废弃物资源化利用的问题，生物炭可以成为木质素含量高的桃枝的有效处理出路。 因此，本研究以平谷区桃枝制备的生物炭为研究材料，研发高效、环境友好的新型重金属生物炭吸附剂，并结合平谷区历史遗留矿区周边桃园砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）复合污染现状，研究以下两个科学问题：（1）改性桃枝生物炭对As、Pb、Cd 的吸附特性与吸附机理。（2）改性桃枝生物炭对土壤-植物（蔬菜、桃树）体系中As、Pb、Cd 复合重金属的钝化机制。主要结论如下： （1）采用化学沉淀法设计制备铁改性桃枝生物炭（FBC）、锰改性桃枝生物炭（MBC）、铁锰改性桃枝生物炭（FMBC），并针对桃枝生物炭对As 吸附量变化幅度大的情况，进一步通过响应面法确定铁锰改性桃枝生物炭最优制备条件为：铁锰比例为2.36、铁锰-炭比例为0.18、炭化时间为75 min、炭化温度为446 ℃，在此条件下铁锰改性桃枝生物炭具有最大As 吸附量。XRD、FTIR 及SEM-EDS 表征分析发现，FBC、MBC、FMBC 三种桃枝炭表面均有颗粒物存在，具有丰富的孔隙结构及较大的比表面积，铁氧化物和铁锰氧化物是改性桃枝生物炭表面主要晶相，为As、Pb、Cd 离子提供了充足的吸附位点。FBC、MBC、FMBC三种改性桃枝生物炭对As、Pb、Cd 的吸附过程以非均相的化学吸附为主要过程，介于单分子层和多分子层之间且吸附过程易于进行，更符合准二级动力学吸附模型以及Freundlich 等温吸附模型。FMBC 与FBC、MBC 材料相比具有更好的As、Pb 吸附能力。 （2）从改性桃枝生物炭材料的进一步优化出发，制备壳聚糖接枝铁改性桃枝生物炭（FBCH）、聚糖接枝铁改性桃枝生物炭（MBCH）、壳聚糖接枝铁锰改性桃枝生物炭（FMBCH）复合材料。壳聚糖接枝-改性桃枝生物炭与改性桃枝生物炭相比，比表面积降低，总孔体积降低，呈现多孔结构。通过盆栽实验，研究施用改性桃枝炭复合材料以及喷施壳聚糖叶面肥处理对土壤-小白菜体系中As、Pb、Cd 复合污染的阻控作用，结果显示：不同处理条件下，土壤中的有效态As、Pb 和Cd 含量均呈现下降趋势，As、Pb 和Cd 有效态含量分别最高可显著降低24.1%（FMBCH）、30.3%（FBCH）、26.1%（FBCH）。此外，与对照相比不同处理条件下小白菜地上部分As、Pb、Cd 最高分别可降低20.6%、31.3%、23.7%。因此，研究区桃树间作区域应避免种植高风险叶菜类蔬菜，可采用低积累蔬菜品种或粮食作物进行替代种植。 （3）综合成本、效果等因素，采用FBC、MBC 两种改性桃枝生物炭，在平谷区As、Pb、Cd 复合中度污染地区开展田间试验。选用当地两种主流优质桃树红蟠、绿化九作为研究对象，探讨改性桃枝生物炭对土壤-桃树体系中As、Pb、Cd 的钝化作用。结果表明：FBC 及MBC 施用后，红蟠桃树根际土壤中有效态Pb 最高降幅分别为21.5%、31.8%，有效态Cd 最高降低29.8%、35.8%，土壤有效态As 最高降低15.9%、14.9%。土壤中重金属Cd、Pb 铁锰氧化物结合态含量增加，碳酸盐结合态含量降低。FBC 处理后，As 残渣态含量显著增加815%，弱结晶水合铁铝氧化物结合态含量降低32.6%。但土壤中As、Pb、Cd 钝化效果随时间延长逐渐减弱，可通过提高施用次数及优化施用方式等改善长期效果。此外，施加生物炭材料对两种桃树桃果品产量及品质均未产生负面影响。此外红蟠施用MBC 后，农业可持续性得分相比对照提高24.7%。因此，施加改性桃枝生物炭是一种经济可行的实现桃枝废弃物资源化、增值化的利用方式，可进一步推广应用。 综上，改性桃枝生物炭可以作为一种高效的重金属污染土壤修复材料，为桃枝废弃物的资源化利用提供了一种新的思路。改性桃枝生物炭的应用展现了其在土壤重金属污染修复和农业综合效益提高方面的巨大潜力。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 97 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/208050]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 何孟轲. 铁/锰改性桃枝生物炭对土壤重金属钝化及生物有效性影响研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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